[發明專利]一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法

在審

• 申請號: 202210019416.2
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114357840A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發明（設計）人: 黃志強;王杰;李濤;陳振;張克海;馬亞超;李剛
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，包括以下步驟：S1、分析壓縮機軸系激勵載荷；S2、建立壓縮機軸系三維幾何模型及軸系集中參數模型，獲取軸系結構參數；S3、采用拉格朗日法建立軸系扭振動力學模型；S4、分析軸系無阻尼自由振動，求解軸系固有頻率，根據API618標準判斷軸系是否共振；S5、分析軸系強迫振動，掌握軸系扭振響應規律。本發明方法考慮壓縮過程中存在的泄露、氣閥延遲、外界熱交換等因素對激勵載荷的影響，通過ANSYS、Matlab軟件，結合拉格朗日法、龍格庫塔法建立軸系扭振動力學模型，求解軸系固有頻率，掌握軸系扭振響應規律，提高壓縮機建立動力學模型的準確性，為軸系扭振的計算提供一種可靠方法。

技術領域

本發明提供一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，屬于往復式壓縮機曲軸扭振研究領域。

背景技術

往復式壓縮機是石油化工領域的重要動力設備，在油氣開采、集輸增壓等方面發揮著重要作用。曲軸系統是壓縮機內的關鍵零部件，在工作過程中，受到復雜交變載荷，加之曲軸各軸頸間轉速不一致，導致曲軸發生扭轉振動，若軸系固有頻率和激勵力頻率重合或相近時，軸系會產生共振，使振動加劇，容易引發燒瓦、聯軸器連接螺栓斷裂和曲軸斷裂等現象，降低生產效率，嚴重時會引發安全事故。因此，開展往復式壓縮機曲軸系統扭振特性的研究必不可少。

在軸系扭振機理研究方面，傳統方法上主要從固有頻率、復雜載荷作用下的時域響應以及結合多體動力學的方式得到軸系的應力分布，但分析過程存在載荷過度簡化的問題，不能對軸系扭振現象做出合理準確預測；因此，考慮實際壓縮過程中存在的泄露、氣閥延遲、外界熱交換等因素對激勵載荷的影響，建立軸系扭振動力學模型，求解軸系固有頻率，掌握實際壓縮過程的軸系扭振響應規律，提高壓縮機建立動力學模型的準確性，縮短計算時長，為軸系扭振的計算提供一種可靠方法。

發明內容

為了解決目前計算方法中存在的問題，本發明采用以下技術方案：一種往復式壓縮機曲軸系統扭振計算方法，包括以下步驟：

S1：確定壓縮機實際工作情況下的循環P-V圖，掌握氣缸內壓力隨曲柄轉角的變化規律；對曲軸系統簡化后的曲柄連桿機構進行受力分析，掌握軸系阻力矩和驅動力矩隨曲柄轉角的變化規律；

S2：根據往復式壓縮機軸系結構參數，利用三維建模軟件SolidWorks建立往復式壓縮機曲軸系統的三維幾何模型，其中包括：電機、聯軸器、曲軸；

S3：根據S2中建立的三維幾何模型，結合往復式壓縮機軸系結構特點，建立軸系的集中參數模型；

S4：根據S3中的集中參數模型，利用三維建模軟件SolidWorks、有限元軟件ANSYS、測量儀器和理論公式得到各圓盤對應轉動慣量、扭轉剛度以及各圓盤間相對扭轉阻尼及外部阻尼，獲得軸系結構參數；

S5：在S3中所得軸系集中參數模型上建立軸系廣義坐標，利用拉格朗日法，建立軸系扭振動力學模型，將軸系扭振動力學模型進行拆解，表達成一階微分方程組的形式，得到扭振響應的方程組：

式中：J為各圓盤轉動慣量，c為圓盤間阻尼，k為圓盤扭轉剛度，T為激勵力矩，θ為位移向量；

S6：在S5中所建立的軸系扭振動力學模型的基礎上，忽略阻尼的影響，令得到軸系無阻尼自由振動微分方程：

式中：J為轉動慣量矩陣，K為剛度矩陣，θ為角位移向量；

在無阻尼多自由度系統引入軸系各圓盤振動解析解求軸系特征方程[[K]-p²[J₁]][A_P]＝0的特征向量和特征值，利用Matlab軟件計算軸系前十階非零固有頻率，繪制軸系對應前十階振型圖，找到軸系最大振動幅值出現的部位；根據API618標準，所得軸系頻率應在十倍基頻正負5％以外，繪制軸系前三階Campbell圖，判斷軸系是否共振；